黃河， 曾鵬， 王信， 劉福華， 黃光平

（1.宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川宜賓644003；2.川煤集團(tuán)芙蓉杉木樹(shù)礦業(yè)公司，四川宜賓644500）

1 引言

井下電機(jī)車(chē)運(yùn)輸是煤礦重要而且必要的運(yùn)輸方式之一。國(guó)內(nèi)外大量實(shí)踐早已證明：軌道機(jī)車(chē)的運(yùn)輸效率和經(jīng)濟(jì)效益不僅取決于機(jī)車(chē)、線路等方面的因素，而且在很大程度上取決于監(jiān)控系統(tǒng)的功能。《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定［1］：“在新建和改擴(kuò)建的大型礦井井底車(chē)場(chǎng)的運(yùn)輸大巷，都應(yīng)設(shè)有信號(hào)集中閉塞系統(tǒng)”（即“信集閉”系統(tǒng)）。同時(shí)，建立可靠、穩(wěn)定的“信集閉”系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、進(jìn)路開(kāi)放、道岔轉(zhuǎn)換，也是合理調(diào)度機(jī)車(chē)、提高運(yùn)輸效率、保證煤礦生產(chǎn)安全、實(shí)現(xiàn)井巷運(yùn)輸現(xiàn)代化的重要途徑。

井下運(yùn)輸?shù)摹靶偶]”技術(shù)系統(tǒng)主要包括三大部分［2］：一是各種信號(hào)的顯示，供司機(jī)和調(diào)度員了解線路開(kāi)通與機(jī)車(chē)運(yùn)行狀態(tài)；二是各信號(hào)之間與電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)之間的互相連鎖，以防止誤操作，保證行車(chē)安全；三是設(shè)在調(diào)度室的模擬顯示集中控制盤(pán)，集中控制和監(jiān)督電機(jī)車(chē)運(yùn)行。

“信集閉”技術(shù)在我國(guó)發(fā)展歷史較長(zhǎng)、型式多種多樣。盡管多年來(lái)對(duì)煤礦井軌道運(yùn)輸“信集閉”系統(tǒng)不斷進(jìn)行研究，但目前尚未有明顯效果［3］。因此，本文通過(guò)剖析“信集閉”技術(shù)發(fā)展歷程，跟蹤最新技術(shù)前沿，探討煤礦井電機(jī)車(chē)運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于研究和開(kāi)發(fā)新型的煤礦井電機(jī)車(chē)運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)十分必要。

2 “信集閉”技術(shù)的發(fā)展歷程

“信集閉”技術(shù)主要經(jīng)歷了繼電器邏輯控制、可編程序控制器（PLC）控制及計(jì)算機(jī)控制三個(gè)階段［4，5］。

2.1 繼電器邏輯控制

第一代“信集閉”系統(tǒng)出現(xiàn)在1960年代，它采用以硬接線邏輯為主要特征的繼電器邏輯控制。相對(duì)于人工調(diào)度、人工扳岔，雖然能提高運(yùn)輸效率，安全和節(jié)省勞力等，但設(shè)備故障多，可靠性差，尤其是隨著使用年限的增加因元器件老化或機(jī)械觸點(diǎn)磨損導(dǎo)致機(jī)械故障率和電氣故障率驟升，系統(tǒng)運(yùn)行效率低下，安全事故頻發(fā)。且因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)不易維護(hù)，更新?lián)Q代困難，因此未能推廣應(yīng)用［5］。

2.2 PLC控制

1980年代以來(lái)，以PLC控制為主的“信集閉”系統(tǒng)逐漸取代繼電器邏輯控制。它采用軟接線邏輯控制，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性；但在整體結(jié)構(gòu)、控制方式、信息傳輸?shù)确矫嫒詿o(wú)法突破繼電器控制模式，不能從根本上解決繼電器控制的痼疾。例如以梯形圖為基礎(chǔ)的控制方式在繼電器原理圖的基礎(chǔ)上演變而來(lái)，智能化水平較低；信息的傳輸方式仍然是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，耗費(fèi)大量電纜；顯示方式仍然是模擬盤(pán)，顯示信息量小，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控的需要；系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈活性較差，致使整個(gè)系統(tǒng)性價(jià)比過(guò)低，不利于推廣普及［3］。

2.3 計(jì)算機(jī)控制

隨著微電子技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)歷了從DDC（直接數(shù)字控制）到DCS（集散控制系統(tǒng)）和FCS（現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）的發(fā)展歷程。DCS是目前正被廣泛使用的一種信集閉系統(tǒng)，如KJ15A礦井軌道運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)，它把多個(gè)控制分站分散到現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了地面主控室對(duì)井下機(jī)車(chē)運(yùn)輸?shù)膶?shí)時(shí)監(jiān)控和自動(dòng)調(diào)度，其控制靈活性大大增強(qiáng)，但仍然存在許多缺點(diǎn)［6］。

FCS興起于1990年代，它突破了DCS采用專用通信網(wǎng)絡(luò)的局限，采用了開(kāi)放式、標(biāo)準(zhǔn)化的通信技術(shù)，把單個(gè)分散的測(cè)量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以現(xiàn)場(chǎng)總線為紐帶實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的信號(hào)傳輸，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了DCS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，形成了全分布式的系統(tǒng)構(gòu)架，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)。FCS被稱為21世紀(jì)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，在礦井運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 典型運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)及其應(yīng)用

目前各大礦井軌道運(yùn)輸監(jiān)控以DCS系統(tǒng)為主，如KJ15A、KJ221、KJ293、KJ562 等［7，8］。KJ562 系統(tǒng)基于工業(yè)以太網(wǎng)，采用分布式結(jié)構(gòu)，以地面調(diào)度站取代井下調(diào)度站，以多屏LCD或CRT顯示器取代模擬盤(pán)，采用柔性調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)自動(dòng)化調(diào)度。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)顯示井下大巷電機(jī)車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)，并傳輸?shù)降孛嬲{(diào)度室；機(jī)車(chē)自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)扳岔、切換中樞、開(kāi)放信號(hào)機(jī)，并自動(dòng)封鎖敵對(duì)進(jìn)路，確保機(jī)車(chē)安全運(yùn)行，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，大大提高了機(jī)車(chē)的運(yùn)輸效率。系統(tǒng)主要設(shè)備包括地面管理主機(jī)及軟件、井下以太網(wǎng)交換機(jī)、井下監(jiān)控分站、轉(zhuǎn)轍機(jī)控制器、井下防爆兼本安直流穩(wěn)壓電源、信號(hào)燈、位移傳感器等。

4 關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

4.1 電機(jī)車(chē)運(yùn)輸監(jiān)控中存在的主要問(wèn)題

煤礦井下運(yùn)輸“信集閉”系統(tǒng)是提高礦井運(yùn)輸能力，保證安全生產(chǎn)、提高產(chǎn)能的重要手段，在一些自動(dòng)化程度較高的大中型礦井中逐漸普及。但大多數(shù)中小型礦井還處于人工扳岔狀態(tài)，調(diào)度員不能即時(shí)掌握機(jī)車(chē)運(yùn)行動(dòng)態(tài)；且井下常年潮濕、粉塵嚴(yán)重、電磁干擾強(qiáng)等，不適宜安裝常規(guī)鐵路信號(hào)裝置［9］。井下機(jī)車(chē)運(yùn)輸能力一直都是提高礦井安全生產(chǎn)效能的重要制約因素。

我國(guó)煤礦井下電機(jī)車(chē)運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化、現(xiàn)代化進(jìn)程與國(guó)外還有很大差距。目前在大中型礦井中使用的國(guó)產(chǎn)KJ15A、KJ221等系列礦井機(jī)車(chē)運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)，采用多層總線星型混合結(jié)構(gòu)的二層網(wǎng)絡(luò)，能實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)的運(yùn)輸監(jiān)控、調(diào)度和信號(hào)顯示，但是仍然無(wú)法滿足最新煤礦井安全生產(chǎn)要求以及規(guī)范。歸納起來(lái)主要包括以下三個(gè)方面：

（1）信號(hào)采集、傳輸及抗干擾能力：在“信集閉”系統(tǒng)中，信號(hào)的采集是最關(guān)鍵的，也是最頻繁的。傳感器的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、可靠性以及信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性及抗干擾能力，是電機(jī)車(chē)運(yùn)輸監(jiān)控的重要基礎(chǔ)。對(duì)于大范圍分布式系統(tǒng)，大量的I/O電纜及輔助設(shè)施施工不但增加成本，而且降低了系統(tǒng)的可靠性。

（2）智能優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題：由于井下岔道復(fù)雜，機(jī)車(chē)運(yùn)輸任務(wù)繁重，極易造成翻車(chē)、出軌、追尾、對(duì)撞、撞人等安全事故。因此，對(duì)電機(jī)車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位及自動(dòng)優(yōu)化調(diào)度非常重要，將直接影響運(yùn)輸安全和經(jīng)濟(jì)效益。

（3）開(kāi)放性及擴(kuò)展能力：隨著礦井的不斷開(kāi)采，井下軌道運(yùn)輸必須不斷拓展，這就要求運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展能力和可集成性，而現(xiàn)有的DCS系統(tǒng)兼容性很差。

4.2 電機(jī)車(chē)運(yùn)輸監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

電機(jī)車(chē)運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)主要涉及到傳感檢測(cè)、視頻監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)通訊、智能控制等關(guān)鍵技術(shù)。

（1）傳感檢測(cè)技術(shù)：從我國(guó)“信集閉”的發(fā)展來(lái)看，過(guò)去所用的信號(hào)采集器件主要有：輔助導(dǎo)線、水銀開(kāi)關(guān)、超聲、無(wú)線感應(yīng)等。但這些采集元件均因可靠性差和維護(hù)量大等逐漸被淘汰?，F(xiàn)在通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和不斷摸索，一種磁感應(yīng)式的無(wú)源干簧管以其采集信號(hào)的可靠性高、安裝方便、維護(hù)量小正被普遍采用。

（2）視頻監(jiān)控技術(shù)：目前國(guó)內(nèi)煤礦井下裝備的工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)主要有KJ28和KJ32兩種型號(hào)，用光纜作為傳輸介質(zhì)，一路圖像傳輸占用一根光纖，圖像不能在現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上同時(shí)傳輸。也可以采用慣性導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)井下機(jī)車(chē)的精確定位，并通過(guò)組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)位置和運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和實(shí)時(shí)模擬［10］。

（3）工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)：現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)是目前工業(yè)控制中的首選通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線具有良好的開(kāi)放性、互操作性和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性，但傳輸距離受限；工業(yè)以太網(wǎng)傳輸距離遠(yuǎn)、速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接，但現(xiàn)場(chǎng)傳輸?shù)姆€(wěn)定性較差。根據(jù)煤礦井下機(jī)電運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，井下無(wú)線傳輸、多點(diǎn)射頻通信技術(shù)［11］是底層數(shù)據(jù)集成的關(guān)鍵；地面調(diào)度和實(shí)時(shí)監(jiān)控及其與生產(chǎn)管理系統(tǒng)的聯(lián)接是現(xiàn)代化生產(chǎn)的必然要求。因此基于現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)的通信技術(shù)在煤礦井下機(jī)車(chē)運(yùn)輸監(jiān)控中具有廣闊的應(yīng)用前景。

（4）智能控制技術(shù)：近年來(lái)，人工智能技術(shù)在工業(yè)控制中應(yīng)用日益廣泛。在機(jī)車(chē)調(diào)度和系統(tǒng)故障診斷中可引入人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)的智能優(yōu)化調(diào)度，從而提高機(jī)車(chē)運(yùn)輸效率；通過(guò)建立故障專家?guī)欤M神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)系統(tǒng)的自診斷和自學(xué)習(xí)能力，提高監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可維護(hù)性。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種技術(shù)的融合應(yīng)用，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上研究開(kāi)發(fā)新型的煤礦井電機(jī)車(chē)運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)，建立功能更加完善和運(yùn)行更加智能化的“信集閉”系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井電機(jī)車(chē)運(yùn)輸?shù)膶?shí)時(shí)監(jiān)控、智能調(diào)度和故障處理，對(duì)于保障機(jī)車(chē)運(yùn)行的安全性、提高煤礦生產(chǎn)效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)煤礦井的全面數(shù)字化和現(xiàn)代化具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］ GB/T 16179-1996，煤炭安全規(guī)程［S］.

［2］ 馬征途.信、集、閉在煤礦機(jī)電運(yùn)輸方面的作用［J］.中小企業(yè)管理與科技，2011（9）：266.

［3］ 華鋼，張君.一種新型礦井軌道運(yùn)輸信集閉系統(tǒng)［J］.煤礦機(jī)電，2007（4）：72-75.

［4］ 張君，華鋼.新型信集閉系統(tǒng)的構(gòu)建及其實(shí)現(xiàn)［J］.煤礦機(jī)械，2007（7）：143-145.

［5］ 華鋼，左明，蘭獻(xiàn)宸.KJ14-A軌道運(yùn)輸信集閉系統(tǒng)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，1993（12）：49-52.

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［9］ 梁吉?jiǎng)伲跗?，張?lè).關(guān)于KJ2010型礦井機(jī)車(chē)運(yùn)輸集中監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)的研制與應(yīng)用［J］.礦業(yè)工程，2011（2）：67-68.

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